楊 瑩尚豫才
1.河南工業(yè)大學(xué) 450001 2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院 450001
鋼板淺圓倉(cāng)屈曲有限元分析
楊 瑩1尚豫才2
1.河南工業(yè)大學(xué) 450001 2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院 450001
本文以工程實(shí)際(哈爾濱北倉(cāng)糧食倉(cāng)儲(chǔ)工程設(shè)備有限公司提供的BC2425大豆原料保溫鋼板筒倉(cāng))為載體,利用通用有限元軟件ANSYS對(duì)該倉(cāng)在空倉(cāng)、滿倉(cāng)兩種工況下進(jìn)行模擬,總結(jié)得出鋼板倉(cāng)屈曲的變化形式,并對(duì)倉(cāng)底的“象腿”變化給出解釋?zhuān)约疤岢鲣摪鍦\圓倉(cāng)避免屈曲破壞的解決措施,并利用理論計(jì)算證明有限元模擬的正確性。
鋼板淺圓倉(cāng);屈曲;有限元分析;等效應(yīng)力值
筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)是廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、冶金、建材、化工、電力、建材、糧食等領(lǐng)域的粒狀、散狀、液狀物料儲(chǔ)備的一種特殊結(jié)構(gòu)形式的筒狀構(gòu)筑物[1]。近年來(lái),隨著我國(guó)鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量迅速提高,散料儲(chǔ)存需求量的不斷提高,鋼板筒倉(cāng)的需求量及容量都在迅速增加。由于我國(guó)對(duì)鋼板筒倉(cāng)受力性能的研究起步較晚,相對(duì)較弱,且圓形鋼板筒倉(cāng)是一種旋轉(zhuǎn)薄殼結(jié)構(gòu),其受力行為、破壞準(zhǔn)則等相當(dāng)復(fù)雜,再加上一些不合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則導(dǎo)致了許多鋼板筒倉(cāng)的結(jié)構(gòu)破壞,許多問(wèn)題仍有待進(jìn)一步解決。加之,鋼板筒倉(cāng)屬于圓柱薄殼結(jié)構(gòu),這類(lèi)結(jié)構(gòu)在外荷載作用下,對(duì)其進(jìn)行承載力及穩(wěn)定設(shè)計(jì)研究主要取決于對(duì)其進(jìn)行的屈曲分析。
假定圓柱殼為薄殼,徑向撓度很小,材料均勻同性,且符合胡克定律、直法線假設(shè),橫截面的荷載均勻分布,在兩端的邊界條件為無(wú)徑向位移和切向位移,則可以得出圓柱殼的理論解為[2]
式中,E為材料的彈性模量;t為殼的厚度;R為圓柱殼的半徑;μ為泊松比。
據(jù)《糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50322-2001)[3]之5.3.7條規(guī)定,倉(cāng)壁應(yīng)按薄殼彈性穩(wěn)定理論或下述方法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算:
1.2.1 在豎向軸力作用下(空倉(cāng))的計(jì)算公式為
1.2.2 在豎向壓力及儲(chǔ)糧水平壓力共同作用下(滿倉(cāng))的計(jì)算公式為
谷物種類(lèi) 大豆谷物密度(kN/m3) 7.500谷物內(nèi)摩擦角(°) 25.000谷物側(cè)壓比 0.406谷物外摩擦角(°) 17.000對(duì)倉(cāng)壁摩擦系數(shù) 0.466
倉(cāng)身自重(kN) 1580.000倉(cāng)深(m) 28.500直徑(m) 24.000倉(cāng)壁周長(zhǎng)(m) 75.398水力半徑(m) 6.000倉(cāng)體立柱數(shù)(個(gè)) 72.000倉(cāng)蓋自重(kN) 210.00倉(cāng)蓋投影面積(m2) 498.759倉(cāng)壁分段(層) 25
倉(cāng)壁板材料:Q 3 4 5強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/m m 2) 3 0 0.0 0 0內(nèi)立柱材料:S G H 4 4 0強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(N/m m 2) 3 0 0.0 0 0
該鋼板淺圓倉(cāng)是由加勁肋和鋼板組成,鋼板與鋼板之間由高強(qiáng)螺栓連接而成。根據(jù)鋼板淺圓倉(cāng)BC2425的原始數(shù)據(jù),利用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模。鋼板倉(cāng)倉(cāng)壁采用Shelll81板殼單元,加勁肋采用Beaml88梁?jiǎn)卧?。為了?jiǎn)化模型,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí),可以把頂蓋和基礎(chǔ)模擬為倉(cāng)壁上下兩端的邊界約束條件,所以在實(shí)際建模時(shí)不構(gòu)建倉(cāng)頂蓋和基礎(chǔ)的有限元模型。根據(jù)實(shí)際情況,將邊界條件定位倉(cāng)頂鉸接,倉(cāng)底固結(jié)。根據(jù)統(tǒng)計(jì),模型單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為:12 085個(gè)單元和4 868個(gè)節(jié)點(diǎn),模型如圖1所示。
圖1有限元模型
通過(guò)有限元后處理得出該模型在空倉(cāng)、滿倉(cāng)兩種工況下的等效應(yīng)力圖與屈曲模態(tài)圖,分別見(jiàn)圖2,圖3、圖4、圖5。從屈曲分析結(jié)果看,因結(jié)構(gòu)的特殊性,其屈曲形式出現(xiàn)沿高度方向呈正弦特征的變形曲線,同時(shí)沿倉(cāng)壁的四周有不同的層數(shù)。雖然目前在工程設(shè)計(jì)中還很少采用屈曲分析結(jié)果來(lái)作為控制筒倉(cāng)的設(shè)計(jì)要素,但是,為了防止筒倉(cāng)屈曲失穩(wěn),建議適當(dāng)加強(qiáng)加勁肋沿徑向和環(huán)向的抗彎剛度或加大倉(cāng)壁的厚度。
圖2空倉(cāng)荷載作用下等效應(yīng)力圖
圖3滿倉(cāng)荷載作用下等效應(yīng)力圖
圖4空倉(cāng)荷載作用下屈曲模態(tài)圖
圖5滿倉(cāng)荷載作用下屈曲模態(tài)圖
圖4和圖5都出現(xiàn)了“象腳”變形。這是因?yàn)橥矀}(cāng)底部固結(jié),其徑向、環(huán)向變形受到約束。在空倉(cāng)狀態(tài)下,倉(cāng)壁只受豎向力的作用,使接近于倉(cāng)底部分的倉(cāng)壁環(huán)向變形很大;在實(shí)倉(cāng)狀態(tài)下,倉(cāng)壁不僅受豎向力的作用,還受糧食水平力的作用,使得其環(huán)向變形比空倉(cāng)狀態(tài)時(shí)小,所以在實(shí)倉(cāng)狀態(tài)下的“象腳”效應(yīng)比空倉(cāng)狀態(tài)下的小。從空倉(cāng)和實(shí)倉(cāng)屈曲模態(tài)圖的形狀上來(lái)看,與袁海龍?jiān)凇都Z食鋼板筒倉(cāng)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)綜述》[4]一文中所得的結(jié)論相一致。
通過(guò)有限元分析計(jì)算,選取滿倉(cāng)工況下第一特征屈曲模態(tài)圖,其特征值屈曲荷載為F=615912kN。根據(jù)圓柱殼在軸壓作用下的臨界荷載值計(jì)算公式算得:
式中參數(shù)都是根據(jù)實(shí)際情況取得,通過(guò)比較可以看出:有限元分析值和理論計(jì)算值僅相差0.4%,故驗(yàn)證所選取的單元類(lèi)型、網(wǎng)格劃分大小和對(duì)筒倉(cāng)的施加約束均合適對(duì)該類(lèi)筒倉(cāng)做有限元分析。
從屈曲分析結(jié)果看,鋼板淺圓倉(cāng)屈曲形式為沿高度方向呈正弦特征的變形,同時(shí)沿倉(cāng)壁的四周有不同的層數(shù)。為了防止筒倉(cāng)屈曲失穩(wěn),建議適當(dāng)加強(qiáng)立柱沿徑向及環(huán)向的抗彎剛度或增大倉(cāng)壁的厚度。在實(shí)際工程中,應(yīng)在筒倉(cāng)底部采取必要的構(gòu)造措施來(lái)避免“象腳”效應(yīng)的發(fā)生。
[1]段亞弟,申躍奎.貯倉(cāng)結(jié)構(gòu)抗震研究的綜述[J].清華大學(xué);第六屆全國(guó)土木工程研究生學(xué)術(shù)論壇,2008
[2]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析 [M].北京:人民交通出版社,2007.
[3]鄭州糧油食品工程建筑設(shè)計(jì)院.GB50322-2001糧食鋼板筒倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2001.
[4]袁海龍.糧食鋼板筒倉(cāng)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)綜述 [J].特種結(jié)構(gòu),2008(8):21-24.
楊瑩,女,1982年5月出生,四川樂(lè)山人,碩士,助理工程師。)